(57)【要約】【課題】全体をコンパクトに小形に形成することができ、発電効率のよい燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料として液体燃料が使用される燃料電池〔例えばＭＥＡ構造の直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）３〕が採用された燃料電池装置Ｃ１。電池装置Ｃ１では、液体原燃料（ＤＭＦＣではメタノール含有液）を希釈用液で希釈して希釈液体燃料を供給する。電池本体３の燃料極３２に多孔板１３を介して燃料供給ユニット１が積層されており、該電池の空気極３２に第２ポンプユニット２が積層されている。ユニット１は多孔板１３へ開放された燃料プール室１２０及び第１ポンプユニット１Ｐを有している。ポンプユニット１Ｐは、液体原燃料と希釈用液とを混合希釈しながら希釈液体燃料をプール室１２０供給し、さらに多孔板１３の孔１３１を経て燃料極３２の全体に均等状に供給する。ポンプユニット２は電池３における電気化学反応で生成される液体（ＤＭＦＣでは希釈用液として使用できる水）等を回収する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用された燃料電池装置であり、燃料供給ユニットが該電池の燃料極に多孔板を介して積層されており、該燃料供給ユニットは該多孔板に対向する面に該多孔板へ開放された燃料プール室及び該燃料プール室へ液体燃料を供給する燃料供給口を有しており、該多孔板には該燃料プール室から供給される液体燃料が該燃料極の全体にわたり均等状に供給されるように孔分布及びそれぞれの孔サイズが定められた複数の燃料供給孔が分散形成されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記燃料プール室には前記燃料供給口から供給される液体燃料を該燃料プール室内に全体的に分配するための流路制御壁が形成されている請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記燃料供給ユニットは前記多孔板に対向する燃料プール室が形成された面とは反対側部分に第１ポンプユニットを有しており、該第１ポンプユニットは液体原燃料と希釈用液とを混合して希釈液体燃料を生成しつつ該希釈液体燃料を前記燃料プール室へ前記燃料供給口を介して供給するものである請求項１又は２記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記第１ポンプユニットは液体原燃料収容容器から液体原燃料を供給される請求項３記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記燃料電池の空気極側に第２ポンプユニットが積層されており、該第２ポンプユニットは少なくとも該燃料電池における電気化学反応により生成される液体を回収するものである請求項３又は４記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記第２ポンプユニットは回収した液体を希釈用液として前記燃料電池、多孔板及び燃料供給ユニット並びに該第２ポンプユニットの積層体中に形成された希釈用液循環路を介して前記第１ポンプユニットへ供給する請求項５記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記第２ポンプユニットは回収した液体を希釈用液として回収容器へ送り、前記第１ポンプユニットは該回収容器から希釈用液を供給される請求項５記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記第１ポンプユニットは過剰の希釈液体燃料を前記回収容器へ送る請求項７記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記第２ポンプユニットは、前記空気極に対向する面に回収すべき液体の通路を有しており、該空気極に対向する面とは反対側部分に、該液体を回収するマイクロポンプを含む液体回収路を有しており、さらに該空気極に対向する液体通路から該液体回収路へ通じる通路を有しているとともに、該空気極へ該液体通路を介して外部から空気を供給するための空気取り入れ孔を有している請求項５から８のいずれかに記載の燃料電池装置。
【請求項１０】
前記燃料供給ユニットは、前記電池の燃料極で発生するガスを前記燃料プール室を介して放出するためのガス抜き孔を有しており、該燃料供給ユニットの第１ポンプユニットは、液体原燃料を供給するマイクロポンプを含む液体原燃料供給路、希釈用液を供給するマイクロポンプを含む希釈用液供給路及び該液体原燃料供給路と希釈用液供給路の双方に連通するとともに前記燃料プール室への燃料供給口に連通する液体混合路を有している請求項３から９のいずれかに記載の燃料電池装置。
【請求項１１】
前記各マイクロポンプは液体を吸引するための第１絞り流路、液体を吐出するための第２絞り流路、該第１、第２の絞り流路間のポンプ室、該ポンプ室の可撓性壁に設置された圧電素子を含んでおり、該圧電素子で該ポンプ室壁を振動させることでポンプ室を収縮膨張させて該第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、該第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出するポンプである請求項９又は１０記載の燃料電池装置。
【請求項１２】
前記燃料電池は直接メタノール形燃料電池であり、前記液体原燃料はメタノール含有液体燃料であり、前記希釈用液は水を含む液である請求項３から１１のいずれかに記載の燃料電池装置。
【請求項１３】
前記直接メタノール形燃料電池は膜・電極接合体（ＭＥＡ）構造のものである請求項１２記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池装置、特に直接メタノール形燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)のように燃料として液体燃料を用いる燃料電池を利用した燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ユビキタス社会の幕開けとともに電池の長寿命化に対する要求が高まってきている。従来のリチウム電池はその理論限界に近づきつつあり、これ以上の大幅な性能向上は望めなくなりつつある。そんな中、重量（容積）あたりのエネルギー密度の高さから従来の電池に比べて大幅な長寿命化が可能な燃料電池が注目されている。
【０００３】
燃料電池の中でも特に(1) 構造が簡単、(2) 水素スタンドのような大規模なインフラ整備を要することなく燃料の入手が容易、(3) 低コスト、低温での動作が可能などの点から、例えば携帯機器（ノート形パーソナルコンピュータ、携帯電話器等）向けの燃料電池として適していると言える直接メタノール形燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)が注目されており、盛んに研究されている。
【０００４】
ＤＭＦＣ型燃料電池を採用した燃料電池装置は燃料供給の方法により二つのタイプに分類される。一つはアクティブ型と呼ばれるもので、電池への燃料供給をポンプにより行うタイプであり、もう一つはパッシブ型と呼ばれるもので、ポンプを用いずに毛細管力等により燃料を供給するタイプである。
【０００５】
ここでＤＭＦＣの反応式を示す。
燃料極側での反応：ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋６ｅ- ＋６Ｈ+ 
空気極側での反応：(3/2) Ｏ2 ＋６Ｈ+ ＋６ｅ- →３Ｈ2 Ｏ
全反応          ：ＣＨ3 ＯＨ＋(3/2) Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ
【０００６】
この反応式によればメタノールと水は燃料極で等モルで反応し、ＣＯ2 と６個の電子とプロトンを生成し、ＣＯ2 は外部に排出され、電子は外部回路を通って空気極（酸素極）へ、プロトンは電解質膜を通って空気極（酸素極）へそれぞれ別ルートで移動し、そこで反応して水分子３個を生成する。全反応としてはＣＯ2 と２分子のＨ2 Ｏを生成する。
【０００７】
かかる直接メタノール形燃料電池のように燃料として液体燃料を用いる燃料電池を利用した燃料電池装置では、様々の損失が発生し、発電効率を下げる原因となっている。かかる損失の一つに拡散分極がある。これはアノード（燃料極）側における燃料濃度分布の不均一、換言すればアノード各部間での燃料濃度差によるもので、発電効率を上げるにはアノード（燃料極）各部にできるだけ均一に燃料を分散供給して、かかる濃度差発生を抑制することが望まれる。
【０００８】
この点、特開２００２−５６８５８号公報は、燃料電池のアノード（燃料極）へ供給される燃料の流れを１又２以上の多段化プレートで分岐させ、該プレートにより燃料がアノード各部に分散供給されるようにし、各プレートにはアノードへの燃料出口として、矩形、三角形等の形状の開口部を設けたり、円形、楕円形等の穴を分散形成することを開示している。
【０００９】
また、直接メタノール形燃料電池に着目すると、実際に燃料極に供給される燃料として通常濃度が３〜５％と低濃度のメタノール水溶液が用いられる。その理由は、メタノールが燃料極で上記の反応を起こさないまま電解質膜を透過して空気極へ到達してしまうクロスオーバーという現象を防ぐためである。クロスオーバー現象は燃料中のメタノール濃度が高いほど起こりやすい。このようなクロースオーバー現象が発生すると、ＤＭＦＣの二つの極（燃料極及び空気極）のうち燃料極で起こるべきメタノールの反応が空気極でも起こり、燃料の無駄と空気極側の電位低下による電池効率の著しい低下が起こる。従って、通常上記の低濃度のメタノール水溶液が用いられる。
【００１０】
このようにＤＭＦＣでは燃料極へ低濃度メタノール水溶液を供給するのであるが、前記のアクティブ型燃料電池装置では、空気極側で生成される水及び燃料極側からの移動水を回収してこの水で高濃度メタノール水溶液を希釈しながら燃料極に供給する燃料希釈循環形のシステムを構築することが可能である。
【００１１】
１例として図１３の発電システムを示すことができる。図１３のシステムでは、通電されるべき負荷Ｌが燃料電池Ｃに接続されており、電池の外部に燃料タンクｔ１、回収タンクｔ２及びミキサー（混合タンク）ＭＸが設けられていて、これらは配管により燃料電池Ｃに接続されている。燃料電池Ｃの空気極側で生成される水及び燃料極側からの移動液はポンプＰＭ３で回収タンクｔ２へ回収される。発電にあたっては、燃料タンクｔ１からポンプＰＭ１で高濃度メタノール水溶液を、回収タンクｔ２からポンプＰＭ２で希釈用液を、それぞれミキサーＭＸへ供給し、そこでそれらを混合することで高濃度メタノール水溶液を希釈しつつ、該希釈されたメタノール水溶液を電池の燃料極へ供給する。燃料極へ供給された燃料のうち過剰分は回収タンクｔ２へ回収される。
【００１２】
燃料極へ供給する燃料中のメタノール濃度を適正化するために、ミキサーＭＸから電池へ向かう燃料のメタノール濃度を濃度検出センサＤＳで検出し、この検出値に基づいてコントローラＣＯＮＴがポンプＰＭ１、ＰＭ２の動作をコントロールするようにし、これによりミキサーへ供給する高濃度メタノール水溶液の量と希釈液の量の割合を調整することも可能である。
【００１３】
このシステムによると、燃料タンク中の燃料のメタノール濃度を上げることが可能になり、例えば６０ｗｔ％メタノール水溶液を用いれば当初から３ｗｔ％〜５ｗｔ％メタノール水溶液を用いる場合に比べて略１／２０〜１／１２に燃料タンクを小さくすることができる。
【００１４】
この他、例えば、特開２００３−１３２９２４号公報には、メタノールタンクから、このタンクに付設されたバルブの操作により高濃度メタノール水溶液を希釈タンクへ供給する一方、燃料電池本体の空気極で生成された水を該希釈タンクへ回収し、該希釈タンクにおいてメタノールタンクからのメタノール水溶液を回収水で希釈し、希釈されたメタノール水溶液を電池の燃料極へ供給することが開示されている。
【００１５】
さらに、該希釈タンクにおけるメタノール水溶液のメタノール濃度を検出し、その検出結果に基づいて前記バルブの開き量を調整することでメタノールタンクから希釈タンクへ供給する高濃度メタノール水溶液量を調整し、それにより燃料極へ供給するメタノール水溶液のメタノール濃度を制御することも開示されている。
【００１６】
また、特開２００３−３４６８４６号公報には、電池本体の外部に設けた混合室へ、メタノールタンクからメタノールを、さらに電池本体から未使用メタノール溶液や副生成物をそれぞれ流入させるとともに該混合室内燃料を電池へ導くための回路を設け、電池本体の燃料導入室或いはそれに通じる液通路の容積をそれらに対して設けた圧電アクチュエータで増減させることで該回路に燃料を循環させることが開示されている。この燃料電池装置においても、メタノールタンクに高濃度メタノール水溶液を収容しておき、これを電池本体から混合室へ回収されてくる水で希釈し、該希釈メタノール水溶液を燃料として用いることが可能であると考えられる。
【００１７】
【特許文献１】特開２００２−５６８５８号公報
【特許文献２】特開２００３−１３２９２４号公報
【特許文献３】特開２００３−３４６８４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、特開２００２−５６８５８号公報に記載されているように、発電効率を向上させるための多段化プレートを燃料極に対して設ける場合、該プレートが１枚だけでは、燃料をアノード各部に対し均一に供給することは実際には困難であると考えられる。特にアノード面積が大きくなってくると困難になると考えられる。従って、アノード各部に対する燃料の均一な供給のためには複数枚のプレートが必要になってきて、それでは電池本体に直接付随する燃料流路構成部分の構造が複雑化し、厚みが増し、薄形化が求められる携帯機器用の電池としては不向きになる。
【００１９】
また、図１３に例示するようなアクティブ型燃料電池装置は、電池本体以外に燃料供給、希釈用液供給、液回収用と三つのポンプ、さらに、高濃度メタノール水溶液と希釈用液とのミキシング機構（ミキサー）が必要となり、装置が大型化、複雑化し、例えば携帯機器用の電池装置には不向きである。
【００２０】
なお、燃料電池装置の大型化を抑制するためにポンプを必要としないパッシブ型ＤＭＦＣを採用した高濃度メタノール水溶液希釈型の装置が考えられるが、各液の流量等についての積極的な制御を行えない難点がある。
【００２１】
また、特開２００３−１３２９２４号公報や特開２００３−３４６８４６号公報に開示された燃料電池装置では、電池本体以外に高濃度メタノール水溶液と水とのミキシング機構（ミキシング用のタンク）を必要とし、それだけ装置が大型化する。
【００２２】
図１３に例示する燃料電池装置や、特開２００３−１３２９２４号公報、特開２００３−３４６８４６号公報に開示された燃料電池装置は、直接メタノール形燃料電池が採用され、メタノール含有液を希釈用液で希釈して該希釈燃料を該電池の燃料極へ供給するタイプの燃料電池装置であるが、一般的に言って、燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、該液体燃料を希釈用液で希釈して該希釈液体燃料を該電池へ供給するタイプの燃料電池装置においては、液体燃料と希釈用液とを混合するミキシング機構（例えば混合タンク）が電池本体外に必要となり、該ミキシング機構のために燃料電池装置が大型化するという難点がある。
【００２３】
そこで本発明は、先ず、燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用された燃料電池装置であって、発電効率良好で、その割りには該電池に直接付随する液体燃料流路の構成部分を薄形に形成できる燃料電池装置を提供することを課題とする。
【００２４】
また、本発明は、燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、液体原燃料を希釈用液で希釈して該希釈液体燃料を該電池へ供給する燃料電池装置であって、従来の同タイプの燃料電池装置と比べると、全体をコンパクトに小形に形成することができ、しかも、全体のコンパクト化、小型化を達成しつつ発電効率についても良好な燃料電池装置を提供することを課題とする。
【００２５】
また、本発明は、かかる燃料電池装置の１例として、直接メタノール形燃料電池が採用され、液体原燃料であるメタノール含有液を希釈用液で希釈して該希釈液体燃料を該電池へ供給するタイプの燃料電池装置であって、従来の同タイプの燃料電池装置と比べると、全体をコンパクトに小形に形成することができ、しかも、全体のコンパクト化、小型化を達成しつつ発電効率についても良好な燃料電池装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
前記課題を解決するため本発明は次の燃料電池装置を提供する。
（１）第１の燃料電池装置
燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用された燃料電池装置であり、燃料供給ユニットが該電池の燃料極に多孔板を介して積層されており、該燃料供給ユニットは該多孔板に対向する面に該多孔板へ開放された燃料プール室及び該燃料プール室へ液体燃料を供給する燃料供給口を有しており、該多孔板には該燃料プール室から供給される液体燃料が該燃料極の全体にわたり均等状に供給されるように孔分布及びそれぞれの孔サイズが定められた複数の燃料供給孔が分散形成されている燃料電池装置。
ここで「孔分布」とは孔分布密度（単位面積当たりの孔個数）や、千鳥状配列、同心円状配列等の燃料供給孔の配列等の分布態様などを指している。
【００２７】
この燃料電池装置によると、燃料供給ユニットの燃料供給口から燃料プール室に供給された液体燃料は、多孔板に分散形成された複数の燃料供給孔から電池燃料極の全体にわたり均等状に供給されるので、燃料極側における燃料濃度分布の不均一、換言すれば燃料極各部間での燃料濃度差発生が抑制され、それだけ効率よく発電できる。
【００２８】
また、多孔板は板体であるので薄形に形成でき、燃料プール室を有する燃料供給ユニットにしても、かかる多孔板が無ければ燃料極各部へ液体燃料をできるだけ均等に供給するために該燃料プール室の容積大きくしなければならないところ、ここでは燃料プール室内へ供給されてくる液体燃料は多孔板により電池燃料極へ均等状に供給できるので、該燃料プール室は薄形に、従って燃料供給ユニットもそれだけ薄形に形成することが可能であり、かくしてこの燃料電池装置は例えば携帯機器用の電源として適する薄形に形成できる。      
【００２９】
多孔板の燃料供給孔は、燃料プール室内の液体燃料を電池燃料極の全体に均等状（均一状）に供給できるのであれば、同サイズのものを同分布密度（同じ単位面積あたりの個数）で形成されていてもよいが、必要に応じ、或いはより確実に燃料極全体へ燃料を均一に供給するために、例えば次のように形成してもよい。
(1) 孔分布密度はどこも同じであるが、燃料供給口から遠ざかるに従って孔サイズを次第に大きくする。
(2) 孔サイズはいずれも同じとし、燃料供給口から遠ざかるに従って孔分布密度を次第に増加させる。
(3) 孔サイズと孔分布密度の組み合わせにより、燃料供給口から遠ざかるに従って次第に単位面積あたりの孔開口面積合計を増加させる。
(4) 燃料プール室の構造に応じて、孔サイズ及び( 又は) 孔分布を調整する。例えば燃料プール室の構造に応じて燃料プール室中央領域に対応する燃料供給孔のサイズを最も大きくし、その周辺領域の孔のサイズをそれより小さくしていく場合である。
【００３０】
燃料プール室は一つの空間を提供するように形成してもよいが、前記燃料供給口から供給される液体燃料を該燃料プール室内に全体的に、より好ましくは全体に均等状に分配する流路制御壁が形成されていてもよい。
かかる流路制御壁として、燃料供給口に臨む部位から燃料供給口から遠ざかる部位へ向かって櫛状に延びる壁、燃料供給口に臨む部位より内側で、且つ、燃料プール室の内周壁に沿って環状に形成され、該環状壁の外側から内側へ通じる流路を分散形成した環状壁、或いはさらに該流路が燃料供給口から遠ざかるほど壁の単位長さあたり多く形成された該環状壁などを例示できる。
【００３１】
（２）第２の燃料電池装置
前記第１の燃料電池装置において、前記燃料供給ユニットが前記多孔板に対向する燃料プール室が形成された面とは反対側部分に第１ポンプユニットを有しており、該第１ポンプユニットは液体原燃料と希釈用液とを混合して希釈液体燃料を生成しつつ該希釈液体燃料を前記燃料プール室へ前記燃料供給口を介して供給するものである燃料電池装置。
【００３２】
第２の燃料電池装置によると、第１ポンプユニットは液体原燃料と希釈用液とを混合して該液体燃料を希釈しながら希釈液体燃料を燃料電池へ供給するものであるとともに該第１ポンプユニットは燃料電池に前記多孔板を介して積層されている燃料供給ユニットに一体化されている。従って、液体原燃料と希釈用液とを混合するためのミキシング機構を燃料電池外に離して設ける必要がないとともに該ミキシング機構と燃料電池とを接続する配管も必要としない。よってそれだけ燃料電池装置全体をコンパクトに小形に形成することができ、例えば、携帯用機器の電源としても利用できる。しかも、前記第１の燃料電池装置と同様に、多孔板を採用しているので発電効率が良好である。
【００３３】
この燃料電池装置は、燃料電池の空気極側に第２ポンプユニットを積層してもよい。この場合、第２ポンプユニットは少なくとも燃料電池における電気化学反応により生成される液体を回収するものである。第２ポンプユニットは燃料極側から、電池の電解質膜等の部材を通過してきて空気極側へ移動してきた液体をさらに回収するものであってもよい。  かかる第２ポンプユニットも燃料電池に積層され、燃料電池と一体化されるから、これを設けても燃料電池装置の小形化の妨げにはならない。しかも、第２ポンプユニットにより、少なくとも燃料電池における電気化学反応により生成される液体を回収できるため空気極の触媒表面がこれらの液体で覆われることなく空気（酸素）の供給が妨げられないので、装置の発電性能を良好に維持することができる。
【００３４】
可能であるならば、第２ポンプユニットで回収する液体を前記の希釈用液として用いてもよい。この場合、第２ポンプユニットは少なくとも燃料電池における電気化学反応により生成される液体を回収し、燃料電池、燃料極側の多孔板及び燃料供給ユニット並びに空気極側の第２ポンプユニットの積層体中に形成された希釈用液循環路を介して第１ポンプユニットへ供給するものとしてもよい。
【００３５】
或いは、第２ポンプユニットは、回収した液体（希釈用液）を回収容器へ送るものとし、該回収容器から前記第１ポンプユニットへ希釈用液を供給するようにしてもよい。
また、回収容器を設ける場合、前記第１ポンプユニットは、過剰の希釈液体燃料を該回収容器へ送るものでもよい。
【００３６】
なお、希釈前の液体原燃料については、液体原燃料収容容器を設け、該容器から第１ポンプユニットへ液体原燃料を供給すればよい。かかる液体原燃料収容容器としては、代表例として、交換可能な容器、例えばカートリッジタイプの容器を挙げることができる。
【００３７】
燃料電池の構造等によっては、電気取り出しのための電極層を、燃料極に対向する多孔板及び（又は）空気極側のポンプユニットの生成水等回収流路形成部材を導電材料として形成するか、又はそれらが絶縁材料であれば、前記多孔板及び（又は）生成水等回収流路形成部材の電池への対向面に電極膜を形成してもよい。
【００３８】
いずれにしても、燃料電池装置の一層の小形化のために、燃料電池及び燃料供給ユニットはいずれも、また、第２ポンプユニットを設ける場合はそれも、平坦形状に形成されていることが好ましい。これにより、本発明に係る燃料電池装置を、アクティブ型装置でありながら、パッシブ型装置と略同等のサイズに形成することも可能になる。
【００３９】
いずれにしても、前記燃料供給ユニットは、前記電池の燃料極で発生するガスを前記燃料プール室を介して放出するためのガス抜き孔を有していてもよい。
また、該燃料供給ユニットにおける前記第１ポンプユニットの代表例として次のものを挙げることができる。すなわち、液体原燃料を供給するマイクロポンプを含む液体原燃料供給路、希釈用液を供給するマイクロポンプを含む希釈用液供給路及び該液体原燃料供給路と希釈用液供給路の双方に連通するとともに前記燃料プール室への燃料供給口に連通する液体混合路を有しているポンプユニットである。
この第１ポンプユニットは、後述するように平坦形状に薄型に形成することが可能である。
【００４０】
また、前記第２ポンプユニットとして次のものを代表例として挙げることができる。すなわち、空気極に対向する面に少なくとも燃料電池における電気化学反応により生成される液体の通路を有しており、該空気極に対向する面とは反対側部分に、該液体を回収するマイクロポンプを含む液体回収路を有しており、さらに該空気極に対向する液体通路から該液体回収路へ通じる通路を有しているポンプユニットである。
この第２ポンプユニットは、該空気極へ該液体通路を介して外部から空気を供給するための空気取り入れ孔を有していてもよい。
この第２ポンプユニットも、後述するように平坦形状に薄型に形成することが可能である。
【００４１】
いずれにしても、前記各マイクロポンプは、代表例として、液体を吸引するための第１絞り流路、液体を吐出するための第２絞り流路、該第１、第２の絞り流路間のポンプ室、該ポンプ室の、ダイアフラムとして機能し得る可撓性壁に設置された圧電素子を含んでおり、該圧電素子で該ポンプ室壁を振動させることでポンプ室を収縮膨張させて該第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、該第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出するポンプを挙げることができる。
このマイクロポンプも後述するように平坦形状に薄型に形成できる。
【００４２】
いずれにしても、前記燃料電池の代表例として、(1) 構造が簡単、(2) 水素スタンドのような大規模なインフラ整備を要することなく燃料の入手が容易、(3) 低コスト、低温での動作が可能などの点から、例えば携帯機器（ノート形パーソナルコンピュータ、携帯電話器等）向けの燃料電池として適していると言える直接メタノール形燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)を挙げることができる。
【００４３】
かかるＤＭＦＣを採用する場合、前記液体原燃料はメタノール含有液体燃料（例えば高濃度メタノール水溶液）であり、前記希釈用液は水を含む液体である。ＤＭＦＣの空気極において生成される水等は希釈用液として利用できる。
また、かかるＤＭＦＣを採用する場合、それは、燃料電池装置の小形化のために、平坦形状に薄型化が可能な所謂膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly)構造のものとすることが好ましい。ＭＥＡは電解質膜を燃料極と空気極で挟んだ構造の燃料電池である。
【発明の効果】
【００４４】
以上説明したように本発明によると、燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用された燃料電池装置であって、発電効率良好で、その割りには該電池に直接付随する液体燃料流路の構成部分を薄形に形成できる燃料電池装置を提供することができる。
【００４５】
また、本発明によると、燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、液体原燃料を希釈用液で希釈して該希釈液体燃料を該電池へ供給する燃料電池装置であって、従来の同タイプの燃料電池装置と比べると、全体をコンパクトに小形に形成することができ、しかも、全体のコンパクト化、小型化を達成しつつ発電効率についても良好な燃料電池装置を提供することができる。
【００４６】
また、本発明によると、かかる燃料電池装置の１例として、直接メタノール形燃料電池が採用され、液体原燃料であるメタノール含有液を希釈用液で希釈して該希釈液体燃料を該電池へ供給するタイプの燃料電池装置であって、従来の同タイプの燃料電池装置と比べると、全体をコンパクトに小形に形成することができ、しかも、全体のコンパクト化、小型化を達成しつつ発電効率についても良好な燃料電池装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明に係る燃料電池装置の１例Ｃ１を利用した発電システムを示している。
この燃料電池装置Ｃ１は、燃料電池３と、電池３に積層固定された多孔板１３、第１ポンプユニットを備えた燃料供給ユニット１及び第２ポンプユニット２を含んでいる。
【００４８】
図２は燃料電池装置Ｃ１を示しており、さらに言えば、図２（Ａ）は該装置の平面図、図２（Ｂ）は該装置の側面図、図２（Ｃ）は該装置の底面図である。
また、図３（Ａ）は図２（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図、図３（Ｂ）は図２（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図３（Ｃ）は図２（Ｂ）のＣ−Ｃ線断面図、図３（Ｄ）は図２（Ｂ）のＤ−Ｄ線断面図、図３（Ｅ）は図２（Ｂ）のＥ−Ｅ線断面図である。
【００４９】
燃料電池３は、本例では直接メタノール形燃料電池（以下、「ＤＭＦＣ」と言うことがある。）であり、ここでは、電解質膜３１の両面に燃料極３２及び空気極３３を接合したＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)構造のものである。ＭＥＡは各種構造のものが知られているが、本例では電解質膜３１は電解質高分子膜〔例えばデュポン社製ナフィオン（パーフルオロスルホン酸膜）〕であり、燃料極３２は電解質膜３１に接する触媒層（例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの）とこれに積層されたカーボンペーパ等の電極からなり、空気極３３も電解質膜３１に接する同様の触媒層とこれに積層された同様の電極からなっている。
【００５０】
なお、ＭＥＡの構造によっては電力取り出しのための電極層を多孔板１３、第２ポンプユニット２の構成部材の少なくとも一方に設けてもよい。
かかる電極層は、燃料極に対向する多孔板、或いは空気極側のポンプユニットの生成水等回収流路形成部材を導電材料（ＳＵＳエッチング、Ｎｉ電鋳）で形成するか、又は、それらが絶縁材料であれば、前記多孔板、生成水等回収流路形成部材の電池への対向面にスパッタリング法等の各種薄膜形成手段を利用して白金等で形成することもできる。この電極層と燃料極或いは空気極との接続には導電性接着剤を用いるか又はポンプユニットをフレーム等の構成材により加圧状態で保持することにより実現するようにしてもよい。
【００５１】
燃料供給ユニット１は多孔板１３を介して電池３の燃料極３２に積層されている。
燃料供給ユニット１は平坦な四角形状の部材１１、１２を含んでいる。これら部材は平坦形状に積層されている。部材１１は、図２（Ａ）及び図３（Ａ）に示すように、下層の部材１２に対向する面に第１ポンプユニット１Ｐを備えている。
【００５２】
第１ポンプユニット１Ｐは、マイクロポンプＰ１を含む液体燃料供給路１１１、マイクロポンプＰ２を含む希釈用液供給路１１２、これら両供給路にそれぞれ連通する共通の液体混合路１１３を有している。液供給路１１１、１１２は下層部材１２へ向け開放された溝状のものであり、混合路１１３は下層部材１２へ向け開放された凹所状のものである。      
【００５３】
混合路１１３はポンプＰ１、Ｐ２より下流側に形成されている。液体燃料供給路１１１においてポンプＰ１より上流側の端には液体燃料供給口１１４が貫通形成されており、希釈用液供給路１１２におけるポンプＰ２より上流側の端には希釈用液受入れ部１１５が形成さている。希釈用液受入れ部１１５も下層部材１２へ向け開放された凹所状のものである。
【００５４】
部材１２は、図３（Ｂ）に示すように、前記の多孔板１３に対向する面に該多孔板１３へ開放された燃料プール室１２０を有しているとともに燃料プール室１２０の上流側端部に部材１２を貫通する燃料供給口１２３を有している。燃料供給口１２３は第１ポンプユニット１Ｐの液体混合路１３に連通している。
【００５５】
燃料プール室１２０には、該室内における上流側端部から下流側端部へ向け延びる櫛状配列の流路制御壁１２ｗを形成してあり、この制御壁１２ｗにより溝状の複数本の希釈液体燃料通路１２１が提供されている。各通路１２１は、燃料供給口１２３に連通し、通路１２１に対し共通の上流側通路１２２から下流側端部へ向け櫛状配列で延びている。このように櫛状配列の流路制御壁１２ｗが形成されていることで、燃料供給口１２３から燃料プール室１２０へ供給されてくる希釈液体燃料が燃料プール室１２０内に全体的に分配される。
【００５６】
部材１２には、さらに、各希釈液体燃料通路１２１を部材外部へ連通させる溝状のガス抜き孔１２４が形成されており、ガス抜き孔１２４の間には貫通孔１２５が形成されている。ガス抜き孔１２４は燃料極側で生成される炭酸ガスの放出に用いられる。貫通孔１２５は部材１１における希釈用液受入れ部１１５に連通している。
【００５７】
多孔板１３は前記部材１１、１２と同面積サイズの四角形状の平坦な板体であり、図３（Ｃ）に示すように、前記燃料プール室１２０に臨む領域に多数の燃料供給孔１３１が分散形成されている。供給孔１３１については、燃料プール室１２０から各孔１３１を介して電池燃料極３２へ供給される希釈液体燃料が該燃料極の各部へ均等状に供給されるように、ここでは、孔分布は全体的に略同じであるが、燃料供給口１２３に近い上流側から下流側へ行くに従って、孔サイズを次第に大きくしてある。図３（Ｃ）には、孔の拡大図を付随させて、上流側から下流側へ孔サイズが次第に大きくなっている様子を示してある。      
【００５８】
多孔板１３にはさらに貫通孔１３２が形成されており、これは燃料供給ユニット１の部材１２の貫通孔１２５に連通しているとともに電池３に設けた貫通通路３４（図２（Ｂ）参照）にも連通している。
【００５９】
以上のほか、燃料供給ユニット１の部材１１、１２には、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示すように、互いに位置が合致するようにガス流通部ＧＤが設けられている。ガス流通部ＧＤは複数の微細なガス流通孔を形成するとともに液体の通過を阻止するように撥水処理を施した部分である。ガス流通部ＧＤは少なくとも一つ、より好ましくは複数、例えば燃料プール室１２０の各希釈液体燃料通路１２１（図３（Ｃ）参照）に対応させて設けるとよい。燃料供給ユニット１におけるガス流通部ＧＤはガス放出のためのものである。
【００６０】
第２ポンプユニット２は、平坦な四角形状の部材２１、２２を含んでいる。これら部材は平坦形状に積層されている。部材２１は、図３（Ｄ）に示すように、電池３の空気極３３に対向する面に、燃料電池３における電気化学反応により生成される液体（ここでは水）及び燃料極３２側から電解質膜３１を通過して空気極３３側へきた液体の通路、すなわち、櫛状に配列された溝状の複数本の通路２１１及び該通路に連通する共通の凹所状の通路２１２を有している。通路２１２から部材２２側へ貫通孔２１３が形成されている。さらに、各通路２１１を部材外部と連通させる溝状の空気取り入り孔２１４が形成されており、空気取り入り孔２１４の間には貫通孔２１５が形成されている。貫通孔２１５は電池３の液体通路３４に連通している。
【００６１】
部材２２は、図２（Ｃ）及び図３（Ｅ）に示すように、部材２１に対向する面に、マイクロホンプＰ３を含む溝状の液体回収路２２１を有している。液体回収路２２１は燃料電池３における電気化学反応により生成される液体（ここでは水）や燃料極側からの移動液を回収するものである。液体回収路２２１のポンプＰ３より上流側の端には凹所状の液体受入れ部２２２が形成されており、これは部材２１の貫通孔２１３に連通している。また、液体回収路２２１のポンプＰ３より下流側の端には凹所状の液体排出部２２３が形成されており、これは部材２１の貫通孔２１５に連通している。
【００６２】
以上のほか、部材２１、２２には、図３（Ｄ）、（Ｅ）に示すように、互いに位置が合致するようにガス流通部ＧＤが設けられている。ガス流通部ＧＤは、燃料供給ユニット１におけるものと同じもので、少なくとも一つ、より好ましくは複数、例えば各液体通路２１１（図３（Ｄ）参照）に対応させて設けるとよい。ここでのガス流通部ＧＤは外部からの空気取り入れに利用される。
【００６３】
燃料供給ユニット１における部材１１の希釈用液受入れ部１１５、部材１２の貫通孔１２５及び多孔板１３の貫通孔１３２、電池３の貫通液体通路３４（図２（Ｂ）参照）、第２ポンプユニット２における部材２１の貫通孔２１５、部材２２の液体排出部２２３は、第２ポンプユニット２で回収される液体を第２ポンプユニット２から第１ポンプユニット１Ｐへ供給する循環路３０を形成している（図１、図２（Ｂ）参照）。
【００６４】
第１ポンプユニット１ＰのマイクロポンプＰ１、Ｐ２、第２ポンプユニト２のマイクロポンプＰ３はいずれも図９に示す基本構造を有するものである。
すなわち、液体を吸引するための第１絞り流路ｆ１、液体を吐出するための第２絞り流路ｆ２、該第１、第２の絞り流路ｆ１、ｆ２間のポンプ室ＰＣ、ポンプ室ＰＣの可撓性壁（ダイアフラム）ＤＦに設置された圧電素子ＰＺＴを含むポンプである。
【００６５】
圧電素子ＰＺＴに交番電圧を印加してポンプ室壁（ダイアフラム）ＤＦを振動させることでポンプ室ＰＣを収縮膨張させ、第１絞り流路ｆ１からポンプ室ＰＣ内へ液体を吸引し、第２絞り流路ｆ２からポンプ室内液体を吐出できる。
【００６６】
さらに説明すると、第１、第２の絞り流路ｆ１、ｆ２は断面積が同じ又は略同じであるが、流路ｆ１より流路ｆ２は長く形成されている。圧電素子ＰＺＴを駆動する交番電圧として図９（Ｃ）に示すように急峻な立ち上がり、緩やかな立ち下がりを示す交番電圧を用いる。
【００６７】
図９（Ａ）に示すように、印加電圧の急峻な立ち上がり時に圧電素子によりダイアフラムＤＦを急激に変形させてポンプ室ＰＣを急激に収縮させると、長い流路ｆ２では流路抵抗により液体が層流状に流れる一方、短い流路ｆ１では液体が乱流となり、流路ｆ１からの液体の流出が抑制される。これにより、流路ｆ２からポンプ室内液体を吐出することができる。
【００６８】
図９（Ｂ）に示すように、印加電圧の緩やかな立ち下がり時に圧電素子によりダイアフラムＤＦを緩やかに復帰動作させてポンプ室ＰＣを緩やかに膨張させると、短い流路ｆ１からはポンプ室ＰＣ内へ液体が流入する一方、このとき流路ｆ１より流路抵抗が大きい長い流路ｆ２からの液体吐出が抑制される。これにより、流路ｆ１からポンプ室ＰＣ内へ液体を吸引できる。
【００６９】
よって、所望の送液方向において上流側に流路ｆ１を下流側に流路ｆ２を配置することで所望方向に送液可能である。ポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３のそれぞれは、かかる基本構造を有し、かかる動作原理で送液を行うものである。図１〜図３において、ポンプＰ１の圧電素子はＰＺＴ１で、ポンプＰ２の圧電素子はＰＺＴ２で、ポンプＰ３の圧電素子はＰＺＴ３で示してある。
【００７０】
ポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３のそれぞれの送液能力は、各ポンプにおけるポンプ室容積、圧電素子の性能、第１、第２の絞り流路の断面積及び（又は）長さ等のうち１又は２以上を適宜選択決定することで所望のものにできる。
ここでは、液体燃料と希釈用液を所定の割合で混合して希釈できるようにポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３のそれぞれの送液能力を定めてある。
【００７１】
なお、図９に基本構造を示すマイクロポンプは、図９（Ｆ）に示すように、圧電素子ＰＺＴに緩やかな立ち上がり、急峻な立ち下がりを示す交番電圧を印加することで、図９（Ｄ）に示すように流路ｆ１からポンプ室内液体を吐出でき、図９（Ｅ）に示すように流路ｆ２から液体を吸引できるが、ここでは、図９（Ｃ）に示す駆動波形を採用している。
【００７２】
図１に示すように、燃料供給ユニット１の部材１１における液体燃料供給口１１４にはカートリッジタイプの液体原燃料収容容器４が交換可能に接続される。
また、マイクロポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３は、それらの圧電素子に図９（Ｃ）の波形で交番電圧を印加できるポンプ駆動部５で駆動可能である。
【００７３】
燃料電池装置Ｃ１によると、第１ポンプユニット１Ｐに原燃料収容容器４から液体原燃料としてメタノール含有液（例えば高濃度メタノール水溶液）を供給するとともにポンプ駆動部５によりポンプＰ１〜Ｐ３の圧電素子ＰＺＴ１〜ＰＺＴ３にそれぞれ交番電圧を印加してそれらポンプを運転することで燃料電池３に燃料を供給し、電池３で
ＣＨ3 ＯＨ＋(3/2) Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ  の反応を生じさせ、それにより発電させ、該電池３に接続した負荷Ｌに通電することができる。
【００７４】
この燃料電池装置Ｃ１の使用開始当初、電池３に供給されるのは容器４から供給される液体原燃料（メタノール含有液）と、後で閉じられる図示省略の初期水供給通路からマイクロポンプＰ２或いはさらにマイクロポンプＰ３に充填されていた水との混合による希釈液体燃料であるが、その後、電池３の電気化学反応により空気極３３側で生成される水及び燃料極３２側から電解質膜３１を通過して空気極３３側へ移動してきた水或いは水を含む液体が第２ポンプユニット２により第１ポンプユニット１Ｐへ供給され始め、第１ポンプユニット１Ｐは、容器４から供給されるメタノール含有液を第２ポンプユニット２から供給されてくる希釈用液で混合希釈し、希釈液体燃料として燃料電池３に供給でき、これにより容器４に収容された原燃料をもって長時間発電させることができる。
【００７５】
以上説明した燃料電池装置Ｃ１によると、燃料供給ユニット１の第１ポンプユニット１Ｐから燃料供給口１２３を介して燃料プール室１２０に供給された液体燃料は、該室における流路制御壁１２ｗにて提供された通路１２１により該室内に全体的に分配され、さらに該室から多孔板１３に分散形成された複数の燃料供給孔１３１から電池燃料極３２の全体にわたり均等状に供給されるので、燃料極３２側における燃料濃度分布の不均一、換言すれば燃料極各部間での燃料濃度差発生が抑制され、それだけ効率よく発電できる。
【００７６】
また、全体がコンパクトに平坦形状に薄型に形成されており、例えばカード状に形成することも可能であり、携帯機器等の電源として適するものである。
【００７７】
以上説明した燃料電池装置Ｃ１では、燃料供給ユニット１における燃料プール室１２０に流路制御壁１２ｗが形成されているが、図４（Ａ）に示すように、かかる流路制御壁を設けない燃料プール室１２０を採用することも可能である。図４（Ａ）に例示する燃料プール室１２０に対応する多孔板１３として図４（Ｂ）に例示するものを挙げることができる。
【００７８】
図４（Ｂ）の多孔板１３は図３（Ｃ）に示す多孔板と同様に、燃料供給孔分布密度が全体的に略同じであり、燃料プール室１２０に通じる燃料供給口１２３に対応する上流側領域から下流側領域へ向かうに従い孔サイズを大きくしてあるが、図３（Ｃ）の多孔板の場合より、該孔サイズが増加していく割合を大きくしてある。これにより、電池燃料極３２の各部へ均等状に希釈液体燃料を供給できるようにしてある。
【００７９】
また、図５（Ａ）は燃料プール室１２０に設けることができる流路制御壁の他の例１２ｗ’を示している。この制御壁１２ｗ’は、燃料供給口１２３より内側に、燃料プール室の内周壁に沿って環状に形成されたもので、該環状壁１２ｗ’には該壁の内外領域を連通させる液通路ｈを形成してある。液通路ｈはその分布密度が燃料供給口１２３に近い部位では小さく、燃料供給口１２３から離れるに従い次第に大きくなるように形成してある。かくして、燃料供給口１２３から供給される希釈液体燃料を燃料プール室１２０の各部に分配される。
【００８０】
図５（Ａ）の燃料プール室に対応する多孔板１３として図５（Ｂ）に示すものを例示できる。図５（Ｂ）の多孔板１３は図３（Ｃ）に示す多孔板と同様に、燃料供給孔分布は全体的に略同じであるが、孔サイズについては、プール室１２０における環状壁１２ｗ’内側領域の中央部に対応する領域が最も大きく、それより外側へ向かうに従って小さくなっており、これにより、電池燃料極３２の各部へ均等状に希釈液体燃料を供給できるようにしてある。
【００８１】
図６は本発明に係る燃料電池装置の他の例Ｃ２を利用した発電システムを示している。  図７はこの燃料電池装置Ｃ２を示しており、さらに言えば、図７（Ａ）は燃料電池装置Ｃ２の平面図、図７（Ｂ）は該装置の側面図、図７（Ｃ）は該装置の底面図である。
また、図８（Ａ）は図７（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図、図８（Ｂ）は図７（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図８（Ｃ）は図７（Ｂ）のＣ−Ｃ線断面図、図８（Ｄ）は図７（Ｂ）のＤ−Ｄ線断面図、図８（Ｅ）は図７（Ｂ）のＥ−Ｅ線断面図である。
【００８２】
図６、図７及び図８においては、既述の燃料電池装置Ｃ１における部品、部分と実質上同じものについては、装置Ｃ１における参照符号と同じ参照符号を付してある。
【００８３】
この装置Ｃ２では燃料供給ユニットとしてユニット１’を採用している。燃料供給ユニット１’は前記装置Ｃ１における燃料供給ユニット１と次の点を除いて実質上同じものである。ユニット１’では、図７（Ａ）及び図８（Ａ）に示すように、部材１１に第１ポンプユニットとしてポンプユニット１Ｐ’が設けられている。ポンプユニット１Ｐ’は部材１１におけるマイクロポンプＰ２を含む希釈用液供給路１１２のポンプＰ２より上流側の端に希釈用液供給口１１６を設けてあり、ここに回収容器６（図６参照）が配管接続される。部材１１には、さらに、過剰燃料排出口１１７及び回収液排出口１１８を設けてあり、これらにも回収容器６が配管接続される。排出口１１７、１１８は部材１１を貫通している。
【００８４】
図８（Ｂ）に示すように、燃料供給ユニット１’の部材１２も流路制御壁１２ｗ’を設けた燃料プール室１２０を有しているが、該プール室には燃料供給口１２３に臨む上流側通路１２２、これに連通す希釈液体燃料通路１２１の他に、該通路１２１に対し共通の下流側通路１２６も形成されており、該通路１２６に連通する貫通孔１２７も形成してある。
【００８５】
そして、部材１１の過剰燃料排出口１１７は該部材１２の貫通孔１２７に連通しており、回収液排出口１１８は部材１２の貫通孔１２５に連通している。
多孔板１３は装置Ｃ１における多孔板１３と同様のものである。
【００８６】
ポンプユニット１Ｐ’では、希釈液体燃料は部材１１の混合路１１３から部材１２の燃料供給口１２３を経て燃料プール室１２０に供給され、そこから多孔板１３の燃料供給孔１３１を経て燃料極３２の各部に均等状に供給される。余剰の燃料は、部材１２の貫通孔１２７及び部材１１の排出口１１７を経て回収容器６へ送られる。
【００８７】
また、燃料電池装置Ｃ２では第２ポンプユニットとしてユニット２’を採用している。第２ポンプユニット２’は、図８（Ｄ）に示すように、ポンプユニット２と実質上同じものである。
【００８８】
第２ホンプユニット２’で回収される液体は該ユニットを構成している部材２２の液体排出部２２３及び部材２１の貫通孔２１５、さらに、電池３の液体通路３４（図７（Ｂ）参照）、多孔板１３の貫通孔１３２、燃料供給ユニット１’の部材１２の貫通孔１２５及び部材１１の排出口１１８を経て回収容器６へ送られる。
【００８９】
この燃料電池装置Ｃ２によると、第１ポンプユニット１Ｐ’に液体燃料収容容器４から液体原燃料としてメタノール含有液（例えば高濃度メタノール水溶液）を供給するとともに水を収容している回収容器６から希釈用液を供給し、ポンプ駆動部５によりポンプＰ１〜Ｐ３の圧電素子ＰＺＴ１〜ＰＺＴ３にそれぞれ交番電圧を印加することでそれらポンプを運転して燃料電池３において発電させ、該電池３に接続した負荷Ｌに通電することができる。
【００９０】
この燃料電池装置Ｃ２では、装置の使用開始当初から、第１ポンプユニット１Ｐ’により容器４から供給される液体原燃料（メタノール含有液）及び回収容器６から供給される希釈用液を所定割合で混合して希釈液体燃料として燃料電池３に供給して発電させることができる。さらに、余剰の希釈液体燃料は燃料供給ユニット１’の部材１２の孔１２７及び部材１１の排出口１１７から回収容器６へ送ることができ、電池３の電気化学反応により空気極３３側で生成される水や燃料極側からの移動液は希釈用液として第２ポンプユニット２’から燃料供給ユニット１’の部材１１における排出口１１８を経て回収容器６へ循環させることができる。
【００９１】
以上説明した燃料電池装置Ｃ２も、電池燃料極３２の各部へ均等状に燃料が供給されるので、それだけ発電効率良好であり、また、全体をコンパクトに平坦形状に薄型に形成でき、例えばカード状に形成することも可能であり、携帯機器等の電源として適するものである。
【００９２】
なお、燃料電池装置Ｃ２においても、必要に応じ、図４（Ａ）や図５（Ａ）に例示するような燃料プール室を採用したり、図４（Ｂ）や図５（Ｂ）に例示するような多孔板を採用することができる。
【００９３】
以上説明したいずれの燃料電池装置においても、第１ポンプユニットのマイクロポンプＰ１、Ｐ２は図９（Ｃ）に示す波形の交番電圧印加により駆動したが、液体原燃料の希釈用液の混合による希釈をより円滑、確実化するために、ポンプＰ1 、Ｐ２へ印加する交番電圧波形として図１０（Ａ）に示す波形を採用してもよい。この波形を採用すると、図１０（Ｂ）に示すように、ポンプＰ１で送られる液体源燃料、ポンプＰ２で送られる希釈用液のそれぞれが間欠的に液体混合路に供給され、これにより両液は円滑に混合され、それだけ所定の希釈液体燃料が円滑、確実に得られる。なお、各ポンプの駆動波形において電圧値の低い部分は他方のポンプからの液逆流を防ぐためのものである。
【００９４】
＜マイクロポンプユニットの製造＞
以下に、マイクロポンプユニットの製造の幾つかの例を挙げておく。
（１）Ｓｉ基板とガラス板で構成する場合
Ｓｉ基板上に流路溝を異方性エッチングにより加工し、このＳｉ基板に平板のガラスを陽極接合して液通路を形成する。駆動用の圧電素子はＳｉ基板におけるダイアフラム部分に接合する。
この方法によると、ヤング率の高い材質で液通路を形成できるのでポンプ性能が良好となる。
（２）樹脂とガラス板で構成する場合
流路溝を樹脂の射出形成、インプリント等により形成し、この樹脂板に薄板ガラスを接着剤により貼り付けて液通路形成する。駆動用圧電素子をガラス板のダイアフラム部分に貼り付ける。
この方法によると安価にポンプユニットを形成できる。
（３）ガラスで構成する場合
感光性ガラスのフォトリソ加工、ガラスのサンドブラスト加工、ガラス成型、ガラス板のレーザ加工等の方法により流路溝を形成し、流路溝を形成した第１ガラス板に、第２の平板ガラスを直接接合する。或いは第１、第２のガラスの接合面の両方又は一方に低融点ガラス膜をスパッタリング法、蒸着法等により形成して加熱・加圧により接合する。或いは第１、第２のガラスの一方にＳｉ膜をスパッタ等により形成して陽極接合する。これらのいずれかの操作により、ポンプ流路を形成し、接合した両ガラスのいずれかのダイアフラム部分に圧電素子を接着剤等により貼り付ける。
この方法によっても安価にポンプユニットを形成できる。
（４）セラミックで構成する場合
グリーンシートの成型、サンドブラスト加工、レーザ加工等の方法で流路溝を形成し、一方又は双方に流路溝が形成されたグリーンシートを位置決めして貼り合せ、加圧しながら焼成することで一体化する。或いは同様に形成されたグリーンシートを焼成してセラミック板とし、一方に低融点ガラス膜をスパッタリング法、蒸着法等により形成して加熱・加圧により接合する。或いは同様に形成・焼成されたセラミック板の一方にガラスをもう一方にＳｉ膜をスパッタ等により形成して陽極接合する。これらのいずれかの操作により、ポンプ部分を含む流路を形成し、接合した両セラミックのいずれかのダイアフラム部分に圧電素子を接着剤等により貼り付ける。
この方法によるとヤング率の高い材質で液通路を形成できるのでポンプ性能が良好となる。
【００９５】
上記のほか、液体や気体が流通できる溝が形成された電鋳品、カーボンの成形品、ステンレススチール板をエッチング加工したもの等も利用できる。
なお、上記（１）〜（４）のいずれの製法を採用するにしても、必要に応じガス抜き孔や空気取り入れ孔も同時に形成する。ガス流通部ＤＧについては可能であれば同時に形成してもよいし、後で形成してもよい。
【００９６】
次に、マイクロポンプユニットの製法の具体例を説明するが、説明を簡略化し、理解を容易にするため、２液の混合希釈装置として機能する図１１に示すマイクロチップＭＴを例にとって説明する。図１１（Ａ）はマイクロチップＭＴの平面図、図１１（Ｂ）は該チップの側面図、図１１（Ｃ）は図１１（Ｂ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【００９７】
本発明に係る燃料電池装置におけるポンプユニット１Ｐ、１Ｐ’、２は、液流路の配置や、マイクロポンプの数等の点でチップＭＴと異なる場合があるが、チップＭＴと同様にして、コンパクトに、平坦形状薄型に、小形に形成できる。
【００９８】
図１１の液体混合装置ＭＴは、マイクロチップ形のもので、マイクロポンプＰａを含む第１液体供給路Ｌ１、マイクロポンプＰｂを含む第２液体供給路Ｌ２を備えており、供給路Ｌ１のポンプ上流側端には液体供給口Ｌｉ１が、供給路Ｌ２のポンプ上流側端には液体供給口Ｌｉ２が設けられている。供給路Ｌ１、Ｌ２のポンプ下流側端は合流部Ｌ３でＹ字状に合流し、混合流路Ｌ４に続き、該流路端の液体出口Ｌｏに達している。
【００９９】
流路Ｌ１〜Ｌ４は例えば幅１５０μｍ、深さ１７０μｍである。マイクロチップＭＴの外形寸法は例えば、約２０ｍｍ×４０ｍｍ×０．５ｍｍである。もっとも、寸法、形状は、これに限るものではない。
ポンプＰａ、Ｐｂは図９に示す構造、動作を示すもので、このチップでは各ポンプの圧電素子ＰＺＴａ、ＰＺＴｂに駆動部から交番電圧を印加することで供給口Ｌｉ１、Ｌｉ２から第１、第２の液体を吸引し、送液し、合流部Ｌ３で合流させ、混合流路Ｌ４で混合して液体出口Ｌｏから吐出することができる。
【０１００】
このマイクロチップＭＴの製造工程について図１２を参照しながら説明する。図１２は図１１（Ｃ）のα−α線に沿う切断端面の部分の製法を代表的に示している。
図１２（Ａ）に示すように、シリコン基板ＳｉＳを準備する。シリコン基板ＳｉＳとしては、例えば厚さ２００μｍのシリコンウエハーを用いる。次に、図１２（Ｂ）に示すように、シリコン基板ＳｉＳの上下面に、シリコン酸化膜ＳｉＯ2 を形成する。酸化膜は、例えば、それぞれの厚さが１．７μｍとなるように、熱酸化により形成する。次に、上面にレジストを塗布して所定パターンのマスクを形成し、該マスクパターンで露光し、次いで現像して酸化膜をエッチングする。そして、上面のレジストを剥離した後、再びレジストを塗布し、露光、現像、エッチングを行う。これにより、図１２（Ｃ）に示すように、酸化膜を完全に除去した部分ａと、厚さ方向に途中まで除去した部分ｂを形成する。
【０１０１】
レジスト塗布には、例えば東京応化社製ＯＦＰＲ８００等のレジストを用いスピンコ一ターで回転塗布し、レジスト膜の厚さは、例えば１μｍとする。露光はアライナ一により行い、現像はデベロッパーにより行う。酸化膜のエッチングには、例えば反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）を用いる。レジストの剥離には、剥離液、例えば硫酸過水を用いる。
【０１０２】
次に、図１２（Ｄ）に示すように上面についてシリコンエッチングを途中まで行った後に、ｂの部分の酸化膜をエッチングにより完全に除去し、再びシリコンエッチングを行い、図１２（Ｅ）に示すようにシリコン基板ＳｉＳを１７０μｍエッチングした部分ａ’と、２５μｍエッチングした部分ａ”とを形成する。シリコンエッチングには、例えば、ＩＣＰ（高周波誘導結合型プラズマ、Ind uctively Coupled Plasma ）によるエッチング法を用いる。さらに、図１２（Ｅ）に示すように酸化膜を、例えばＢＨＦを用いて完全に除去する。
【０１０３】
次に、図１２（Ｆ）に示すように、シリコン基板の下面に電極膜ｅ（例えばＩＴＯ膜）を成膜する。そして、図１２（Ｇ）に示したように、シリコン基板の上面にガラス板ＧＬを貼り付ける。この貼り付けは、例えば、１２００Ｖ、４００℃で、陽極接合により行う。最後に、図１２（Ｈ）に示すように、ポンプ室ＰＣの振動板の部分に圧電素子を接着する。
以上説明した製法に準ずる製法により、本発明に係る燃料電池装置におけるマイクロポンプユニットにおけるマイクロポンプや液流路をバラツキ少なく、均一な性能のものに製作できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明に係る燃料電池装置は発電効率良好であり、平坦形状に薄型にコンパクトに形成できるから例えば各種携帯機器用の電源として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明に係る燃料電池装置の１例を利用した発電システムを示す図である。
【図２】図１の燃料電池装置を示すもので、図２（Ａ）は該装置の平面図、図２（Ｂ）は該装置の側面図、図２（Ｃ）は該装置の底面図である。
【図３】図３（Ａ）は図２（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図、図３（Ｂ）は図２（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図３（Ｃ）は図２（Ｂ）のＣ−Ｃ線断面図、図３（Ｄ）は図２（Ｂ）のＤ−Ｄ線断面図、図３（Ｅ）は図２（Ｂ）のＥ−Ｅ線断面図である。
【図４】図４（Ａ）は燃料プール室の他の例を示す図であり、図４（Ｂ）は多孔板の他の例を示す図である。
【図５】図５（Ａ）は燃料プール室のさらに他の例を示す図であり、図５（Ｂ）は多孔板のさらに他の例を示す図である。
【図６】本発明に係る燃料電池装置の他の例を利用した発電システムを示す図である。
【図７】図６の燃料電池装置を示すもので、図７（Ａ）は該装置の平面図、図７（Ｂ）は該装置の側面図、図７（Ｃ）は該装置の底面図である。
【図８】図８（Ａ）は図７（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図、図８（Ｂ）は図７（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図８（Ｃ）は図７（Ｂ）のＣ−Ｃ線断面図、図８（Ｄ）は図７（Ｂ）のＤ−Ｄ線断面図、図８（Ｅ）は図７（Ｂ）のＥ−Ｅ線断面図である。
【図９】マイクロポンプの１例の基本構造及び動作を示すもので、図９（Ａ）は液体吐出動作を示す図、図９（Ｂ）は液体吸引動作を示す図、図９（Ｃ）はかかる液体の吐出動作、吸引動作のための圧電素子への印加電圧波形を示す図である。図９（Ｄ）は図９（Ａ）とは反対方向への液体吐出動作を示す図、図９（Ｅ）は図９（Ｂ）とは反対方向の液体吸引動作を示す図、図９（Ｆ）はかかる反対動作のための圧電素子への印加電圧波形を示す図である。
【図１０】図１０（Ａ）はマイクロポンプ駆動電圧波形の他の例を示す図であり、図１０（Ｂ）は該波形による送液状態を示す図である。
【図１１】ポンプユニット等の製法例を説明するための参考的なマイクロチップを示すもので、図１１（Ａ）はその平面図、図１１（Ｂ）はその側面図、図１１（Ｃ）は図１１（Ｂ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図１２】マイクロチップの製造工程例を示す図である。
【図１３】燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、該液体燃料を希釈用液で希釈して希釈液体燃料を該燃料電池へ供給する燃料電池装置の考えられる例を示す図である。
【符号の説明】
【０１０６】
Ｃ１  燃料電池装置
１  燃料供給ユニット
１１  平坦な四角形状の部材
１Ｐ  第１ポンプユニット
Ｐ１、Ｐ２  マイクロポンプ
ＰＺＴ１、ＰＺＴ２  圧電素子
１１１  液体燃料供給路
１１２  希釈用液供給路
１１３  液体混合路
１１４  液体原燃料供給口
１１５  希釈用液受入れ部
１２  平坦な四角形状の部材
１２０  燃料プール室
１２３  燃料供給口
１２ｗ  流路制御壁
１２ｗ’  環状の流路制御壁
ｈ  液通路
１２１、１２２  希釈液体燃料通路
１２４  ガス抜き孔
１２５  貫通孔
１３  多孔板
１３１  燃料供給孔
１３２  貫通孔
ＧＤ  ガス流通部
２  第２ポンプユニット
２１  平坦な四角形状の部材
２１１、２１２  液通路
２１３  貫通孔
２１４  空気取り入れ孔
２１５  貫通孔
２２  平坦な四角形状の部材
Ｐ３  マイクロポンプ
ＰＺＴ３  圧電素子
２２１  液体回収路
２２２  液体受入れ部
２２３  液体排出部
３  燃料電池
３１  電解質膜
３２  燃料極
３３  空気極
３４  液体通路
３０  希釈用液循環路
４  液体原燃料収容容器
５  ポンプ駆動部
６  回収容器
ｆ１  第１絞り流路
ｆ２  第２絞り流路
ＰＣ  ポンプ室
ＤＦ  ポンプ室可撓性壁（ダイアフラム）
ＰＺＴ  圧電素子
Ｃ２  燃料電池装置
１’  燃料供給ユニット
１Ｐ’  第１第１ポンプユニット
１１６  希釈用液供給口
１１７  過剰燃料排出口
１１８  回収液排出口
１２６  下流側液通路
１２７  貫通孔
２’  第２ポンプユニット
Ｌ  負荷
ＭＴ  マイクロチップ
Ｐａ、Ｐｂ  マイクロポンプ
Ｌ１  第１液体供給路
Ｌ２  第２液体供給路
Ｌｉ１  第１液体供給口
Ｌｉ２  第２液体供給口
Ｌ３  合流部
Ｌ４  混合流路
Ｌｏ  液体出口
ＰＺＴａ、ＰＺＴｂ  圧電素子
ＳｉＳ  シリコン基板
ＧＬ  ガラス板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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